大型锻件的模拟技术及内部质量控制研究

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清华大学 马庆贤 曹起骧 钟约先

摘要　模拟技术是研究大型锻件控制锻造理论的有效方法，在缩短试验周期等方面具有无可比拟的优越性，为此研制了以高温云纹法为代表的物理和数值模拟技术。针对大型锻件中存在的质量问题，研究了内部缺陷的形成过程及影响因素，发现了变形体中存在剪切带、夹杂性裂纹聚合、损伤与修复等新现象，并对其规律进行了深入研究。制定了大型锻件锻造工艺规范，对提高产品质量起到了重要的作用。 5 z/ [0 F( S7 d9 i  K 9 V2 B' K- \9 Q5 k$ d7 ~: H+ }关键词　大型锻件　模拟技术　质量控制　组织变化　损伤与修复 " N* G) ^& e; @( f! w7 Q8 i2 s大型锻件出厂前，不仅要求做机械性能和晶粒度检验，而且要求做超声波探伤检查，特别是核电锻件还需作TNDT（无延性转变温度）分析。虽然钢铁冶炼技术发展迅速，但是其冶炼和凝固特性决定了钢锭中不可避免地存在夹杂物和大小、位向不同的晶粒，而且随着钢锭增大，夹杂物和粗大晶粒将更为明显。因此，夹杂物和晶界的变化仍然是引起大型锻件报废的重要原因，深入研究其变化和影响规律，对于提高产品质量起着举足轻重的作用。 为此，探索了以云纹法为代表的高温、三维、动态模拟技术，并用此研究了大型锻件的变形规律、内部缺陷的损伤和修复机制、晶粒组织控制过程，提出了控制锻造理论的雏形。依此解决了许多生产难题，特别是制造出了具有国际先进水平的核电大型锻件。 5 C4 X& Y# ?. l2 K: L3 X3 _1　模拟技术及分析测试方法 , G0 C5 ?' S7 O' I4 P4 }大型锻件多为单件生产，生产过程复杂、周期长、成本高故不适合于用实物进行研究以获取质量控制理论、基本规律等。采用模拟技术研究大型锻件的质量控制规律是目前公认的最有效的方法之一［1］。 高温云纹法可以用于模拟研究大型锻件的生产过程。使用离子轰击法直接在钢试件表面上制造云纹栅版，分辨率可达0.05 mm、耐高温可达1250℃。在热模拟炉中试件根据需要发生变形, 图像分析系统进行现场数据动态采集，解决了高温、微观分析变形的技术难题。在塑性变形过程中, 探讨了使用声显微镜无损检测材料内部缺陷的变化过程，取得了满意的效果。通过计算机数值分析技术将缺陷的变化过程参数加以模拟，能够获得材料内部缺陷的三维动态变化规律。 1 y' d' m! ?6 Y8 f/ w# ?0 R目前，已掌握了高温云纹法模拟技术，用声显微镜检测和计算机层析技术（CT技术）无损检测和分析材料内部缺陷的发展、变化过程，以及钢锭凝固、锻造和热处理的数值模拟研究方法。将上述研究方法集成，便可以用于研究高温、三维、动态变形条件下材料内部缺陷的发展和变化过程，获得质量控制锻造规律。 2　锻件变形分布规律 ! x2 e/ I8 w4 m' K3 H" V$ ~采用物理模拟方法系统地研究了饼块类、桶体类、轴类锻件内部的变形分布规律［2］。实验发现，在变形过程中，由于边界摩擦的作用，大变形区与刚性区之间无明显的过渡区，在2区之间形成了剧烈的剪切变形带；随着变形的增大，变形区经较大变形后，材料内部的受力情况将发生变化。变形继续增大时，则表现为剪切带开始移动并引起刚性区逐层进入塑性状态。在上述条件下，加之夹杂物和粗大晶界的存在，裂纹非常容易在夹杂物和晶界处产生。如镦粗过程中，在与砧面接触的刚性区和中间部分的大变形区之间的剪切带中变形非常剧烈，当变形达到某一特定值时，原刚性区开始发生变形致使载荷急剧增大，此时经常引起缺陷扩展。在模块、桶体、轴类锻件变形过程中也存在类似现象。 # K$ A0 }$ e% r 采用云纹法研究了夹杂、空洞等缺陷处的微观变形分布情况，证明了缺陷的形貌直接影响着应力集中程度，剪切变形和缺陷局部应力的综合作用致使缺陷之间金属基体断裂，微小夹杂通过裂纹相连，然后夹杂挤入裂纹，直至形成更大的夹杂性裂纹是引起探伤超标的重要原因之一。用此可以圆满地解释饼块类锻件中心夹陷层缺陷形成的原因，并为消除此类缺陷奠定了理论基础。 3 Z# J9 y$ [. g  A8 C# l9 h7 ] 夹杂物形貌和晶界状况直接影响着大型锻件的使用性能，不合理的缺陷分布极有可能成为使用过程中大型锻件突然失效的重大隐患。虽然目前检验标准还无法对其进行科学评判，但在锻造过程中应充分利用变形特性保证缺陷的合理分布。研究变形分布规律可以有效地解决空洞压实问题，为变形控制晶粒度乃至生产复合性能锻件提供工艺参数。 # E$ ~1 ^+ g/ y* D: N" A+ Z! s3　材料内部缺陷损伤与修复规律 2 ]- k- v4 d" x: n在锻造过程中，大型锻件内部存在的夹杂物和粗大的晶界是引起材料损伤的原因。研究夹杂物的变形行为及其对金属基体变形的影响表明，在800℃～1200℃温度范围内，随着温度的升高，裂纹产生存在着3种形式：①夹杂处基体形成空洞，空洞长大直至汇合；②夹杂与基体脱开形成空洞，然后沿界面扩展到基体直至断裂；③裂纹萌生于晶界，沿晶界扩展至断裂。据此提出了夹杂性裂纹聚合的物理模型，结合变形规律提出了细观损伤力学模型及判据。粗大的晶界在变形过程中非常容易引起裂纹产生，致使损伤出现，其规律和机理有待深入研究。 . f3 t6 L- R% q% }1 y% K # G5 w- S9 _6 _  I/ {' }高温修复是在生产实践中发现的新现象，在机理尚未清楚的情况下，修复了已探伤证明报废的大型管板、模块、转子等锻件，取得了显著的经济效益。 2 h7 E# C# j( V  z . x0 x* n5 H- r8 Q0 l2 F8 P在再结晶温度以上，修复过程主要由裂纹界面基体金属中的原子向裂纹空洞扩散迁移和晶粒长大2个阶段完成。当裂纹较小时，由于温度升高体积膨胀或相变体积增大，致使裂纹表面接触，依靠热力条件即可实现缺陷修复。缺陷较大时，则需通过塑性变形使裂纹表面充分接触，然后才能出现原子迁移和晶粒长大直至裂纹修复。裂纹修复后，各项性能均可恢复到初始状态。损伤与修复是同一缺陷变化过程的2个方面，存在于整个塑性变形过程，二者的影响因素各不相同。充分利用其影响因素的差别，可以有效地控制缺陷损伤与修复的变化过程［3］。 + e& d* I5 m1 m) E; h 利用损伤与修复规律，在锻造生产中最大限度地控制缺陷产生，修复已产生的缺陷或已报废的大型锻件，将产生巨大的经济效益和社会效益。 + N5 g7 F& o9 \% h5 \ 7 u  m" m; i! G7 }% x. r. a7 p# P, _4　变形与晶粒组织的关系 : z+ P5 \* q" e7 x8 b , e# q6 }: s. ]4 r采用普通方法炼钢、注锭，大变形时内部夹杂物易发生聚合致使缺陷超标。而超纯净炼钢技术使得钢水质量大为提高，但是注锭时由于缺少结晶核导致晶粒过分粗大，给后续锻造控制晶粒带来困难。电渣重熔或定向凝固制锭工艺使得晶粒呈方向性生长并且尺寸较大，致使晶粒与晶界之间性能差别较大。由于显微纯净度降低，易引起缺陷损伤发生，致使缺陷超标。采用上述何种方法生产大型锻件综合效果较好，目前尚无定论。 高温变形过程中，材料既要经历热力变化，又要经历金相组织变化，一定的热力参数决定了金属的组织，而组织的变化反过来又影响金属的变形规律，并决定着锻件的性能。热加工中组织变化为动态、静态、亚动态再结晶多机制软化过程。对于变形量小（达不到动态再结晶临界应变）的锻造工艺，锻件的晶粒细化需要通过锻后高温保温阶段的静态再结晶来实现。将材料静态再结晶模型与具体的锻造工艺相结合，用于预测核电大型锻件锻后晶粒尺寸的变化，就可确定获得均匀细小晶粒的锻造工艺参数。 9 g$ x! f2 ^# C, W, \( Z再结晶后的细小晶粒不稳定，在高温停留时会快速长大。实验研究表明，当晶粒长大到一定程度时，其长大趋势便不明显。一定的温度存在特定的稳定晶粒尺寸，同时存在着晶粒粗化温度，即超过此温度，稳定晶粒尺寸急剧增大。 & u3 q1 A. d* F4 r ) s- o. v; Y9 a( O4 o( ?1 ^实验得到ASME 508cl.3 钢的稳定晶粒尺寸和晶粒粗化温度，参考此晶粒粗化温度和稳定晶粒尺寸来制定锻造工艺温度规范，可以控制锻件毛坯的初始晶粒度和锻件晶粒尺寸。综合考虑动态、静态、亚动态再结晶对晶粒细化的作用，给出了热变形后高温停顿5 min～10 min晶粒细化的黑箱模型，实现了多工序热锻的晶粒度预测和控制［4，5］。 % A* {( Y8 w3 [7 R5 B3 s 将材料动态再结晶模型与三维刚粘塑性模型有限元耦合，已用于预测核电大型锻件锻造过程中细观组织变化，由此制定的核电锻件锻造工艺方案，可直接用于生产。 5　大型锻件锻造工艺的突破 , O; Z! P6 J! e6 Z% J. V$ G0 [ 传统的锻造工艺仅考虑打碎铸态组织、消除空洞性缺陷，而没有考虑夹杂物和晶粒、晶界的影响，致使大型锻件废品率较高。新工艺不仅从控制夹杂性裂纹不萌生和控制晶粒尺寸的角度出发，采用合理的工艺参数避免了夹杂性裂纹的形成，打碎了铸态组织，消除了空洞性缺陷，而且将损伤与高温修复规律用于生产实践，通过高温和塑性变形修复大型锻件中已存在的缺陷，通过变形量和温度控制晶粒组织，减少粗晶晶界损伤发生，保证了产品质量，大大提高了产品合格率。 - k. |; L$ u3 g" i 根据上述控制锻造思想，结合饼类、块类、桶类、轴类大型锻件变形的特点，分别制定了控制锻造工艺应遵循的工艺规范，使第一重型机械厂管板生产合格率稳定在97％以上，修复了中信重型机械公司洛阳重型铸锻厂已报废的管板，改善了陕西重型机器厂饼块类锻件的质量，并通过经验交流带动了大型锻件行业生产水平的提高。特别值得一提的是，中国出口巴基斯坦的2块核电特大型管板，在俄罗斯制造质量不合格交货无望的情况下，才无奈转向国内第一重型机械厂订货，该厂应用本研究成果一次投产成功，制造出了核电特大型管板，填补了国内空白。 6　成果应用展望 . B/ f6 p) t  ?" S5 r # p7 i1 A- C' `6 M高温、三维、动态云纹法等关键模拟技术的突破，改变了长期以来使用的传统测试方法。通过测量分析细观、微观及动态缺陷变化，不仅推动了大型锻件行业的发展，而且可直接用于航空航天等高技术领域。如用于航空航天科技的新材料在高温下的蠕变、断裂力学行为对材料发展和工程应用至关重要。通过使用高温、三维、动态云纹法，其测试难题可迎刃而解。 损伤为材料科学和力学交叉的边缘学科，目前仅从现象上对其有认识，其内在本质和规律正在探索。高温缺陷的修复是从生产实践中发现的新现象，这一现象的发现为大型锻件质量控制的研究开辟了一个新方向。充分利用上述规律，不仅可以减少大型锻件中的缺陷使其达到质量要求，而且可以将使用报废锻件中的缺陷修复，使其重新发挥作用，并且这些成果可拓展至其它材料加工领域，具有广阔的应用前景。 & d( I3 I+ [+ ~2 n- a) a 实现大型锻件控制锻造这一目标，对促进基础工业乃至整个国民经济的发展具有深远的意义。但还需对塑性加工中损伤与修复规律，锻造裂纹形成机理及判据，相变动力学、晶粒度预测，多工序、多软化机制，非稳态变形等特性进行深入研究，并通过计算机数值模拟技术优化其工艺过程。 , K4 A( v% \1 B2 d+ T   t& D. y" p: M& x$ | 0 |3 M* t0 S- W8 }

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现在国产的大型锻件就不怎样,很多都是直接进口的,希望国内的 锻造技术能够越来越好